tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống thủy lực trợ lực tay lái cho phương tiện giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ ĐẮC HOÀNG

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM
HỆ THỐNG THỦY LỰC TRỢ LỰC TAY LÁI
CHO PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ XUÂN TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2015


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Mục lục

MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Chương I. Tổng quan về hệ thống lái

01

1.1. Nhiệm vụ yêu cầu và phân loại

01

1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái

03

1.3. Các bộ phận chính của hệ thống lái

04

1.4. Các thông số cơ bản của hệ thống lái

11

Chương II. Một số hệ thống lái thông dụng

25

2.1. Hệ thống lái cơ khí thông thường không trợ lực

25

2.2. Hệ thống lái có trợ lực không điều khiển điện tử

27

2.3. Hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử

33

Chương III. Tính toán thiết kế trợ lực lái

40

3.1. Nguyên lý trợ lực

40

3.2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

44

3.3. Tính toán động lực học hệ thống lái

52

3.4. Tính toán cường hóa lái

56

3.5. Tính toán xy lanh lực

60

3.6. Xác định năng suất của bơm

62

3.7. Tính toán các chi tiết của van phân phối

63

Chương IV. Đánh giá động lực học quay vòng ô tô
4.1. Phương trình quay vòng ô tô hai cầu

66
66


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Mục lục

4.2. Đánh giá động lực học quay vòng động của xe ô tô hai cầu (Tính
điều khiển tĩnh)

70

4.3. Đánh giá động lực học quay vòng động của xe ô tô hai cầu (Tính
điều khiển động)

83

Chương V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

13
14
19
20
21
22

23

Tên danh nghĩa

Tải trọng xe
Trọng lượng bản thân xe
Trọng lượng toàn bộ xe
Phân cho cầu trước
Phân cho cầu sau
Ký hiệu lốp
Chiều dài cơ sở
Chiều rộng cơ sở
Chiều rộng vết trước
Chiều rộng vết sau
Chiều cao của xe
Chiều dài toàn bộ
Chiều dài trục lái
Bán kính vành tay lái
Vận tốc max
Mô men cản quay vòng của bánh xe
Mô men lái

Ký hiệu

Đơn vị đo

G
G0
GT
G1
G2
Bxd
L0

B
BT
BS
H
∑L
L Tl
Rl
V max

N
N
N
N
N
inch
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
Km/h

Mc
Ml


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Danh mục bảng biểu và hình vẽ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ
Danh mục

Trang

Hình 1-1: Các phương pháp quay vòng xe cơ giới

01

Hình 1-2: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái

03

Hình 1-3: Cấu tạo chung của trục lái

04

Hình 1-4: Hộp số lái kiểu trục vít – cung răng

05

Hình 1-5: Hộp số lái kiểu trục vít con lăn

06

Hình 1-6: Hộp số lái kiểu trục vít đòn lắc

07

Hình 1-7: Hộp số lái kiểu trục vít – ê cu – bi – cung răng

07

Hình 1-8: Hộp số lái bánh răng – thanh răng

08

Hình 1-9: Cấu tạo hình thang lái điển hình

09

Hình 1-10: Kết cấu thanh nối bên

10

Hình 1-11: Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang

12

Hình 1-12: Các giai đoạn của quá trình quay vòng

13

Hình 1-14: Sơ đồ động học xe ô tô

14

Hình 1-15: Các yếu tố góc đặt bánh xe

15

Hình 1-16: Góc Camper

16

Hình 1-18: Tác dụng của góc Camper dương

17

Hình 1-19: ác dụng của góc Camper âm

18

Hình 1-20: Góc Caster và khoảng Caster

19

Hình 1 - 21: Góc caster dương và âm

19

Hình 1 - 22: Ổn định chạy trên đường thẳng nhờ có khoảng caster

20


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Danh mục bảng biểu và hình vẽ

Hình 1 - 23: Hồi vị bánh xe nhờ khoảng caster

20

Hình 1 - 24: Góc kingpin

21

Hình 1 - 25: Giảm lực đánh lái

22

Hình 1 - 26: Giảm phản hồi và kéo lệch sang một phía

22

Hình 1 - 27: Độ chụm độ choãi

23

Hình 1 - 28: Góc quay vòng

24

Hình 2 - 1: Hệ thống lái cơ học loại trục vít – bánh vít

25

Hình 2 - 2: Hệ thống lái cơ học loại thanh răng – bánh răng

26

Hình 2 - 3: Hệ thống lái có trợ lực

27

Hình 2 - 4: Bộ trợ lực lái loại khí

28

Hình 2 - 5: Hệ thống lái trợ lực thủy lực

29

Hình 2 - 6: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực thủy lực loại bánh răng xoắn - thanh
răng

30

Hình 2 - 7: Cấu tạo bộ trợ lực

31

Hình 2 - 8: Cấu tạo bơm trợ lực cánh gạt

32

Hình 2 - 9: Sơ đồ nguyên lý bơm trợ lực cánh gạt

33

Hình 2 - 10: Một số bộ phận của hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử

34

Hình 2 - 11: Sơ đồ bộ trợ lực lái điều khiển điện tử

34

Hình 2 - 12: Bộ trợ lực điện

35

Hình 2 - 13: Các chi tiết của bộ trợ lực lái

36

Hình 2 - 14: Đồ thi thể hiện sự thay đổi tỷ số truyền

37

Hình 2 - 15: Vết của các bánh xe ở hệ thống lái trợ lực điều khiển điện tử

38


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Danh mục bảng biểu và hình vẽ

Hình 2 - 16: Vết của các bánh xe ở hệ thống lái không có điều khiển bằng
điện tử

38

Hình 3-1: Tổng quan hệ thống lái có trợ lực.

40

Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cánh gạt.

41

Hình 3-3: Cơ cấu lái hệ thống trợ lực

42

Hình 3-4: Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái ở vị trí trung gian.

43

Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý trợ lực lái khi quay vòng.

44

Hình 3-6: Van phân phối, xilanh lực đặt chung trong cơ cấu lái

45

Hình 3-7: Van phân phối, xilanh lực đặt thành một cụm, tách biệt với cơ
cấu lái

45

Hình 3-8: Van phân phối và cơ cấu lái đặt thành một cụm tách biệt với
xilanh lực

46

Hình 3-9: Bộ cường hóa bố trí van phân phối và cơ cấu lái đặt thành một
cụm, xilanh lực nằm ở trên hình thang lái
Hình 3-10: Cơ cấu trợ lực lái kết hợp đòn kéo ngang.

47

Hình 3-11: Van điều khiển kiểu quay

48

Hình 3-12: Mạch điều khiển thuỷ lực của van quay

49

Hình 3-12: Sơ đồ điều khiển dạng van cánh

50

Hình 3-13: Van điều khiển kiểu ống

51

Hình 3-14: Sơ đồ mạch điều khiển thuỷ lực kiểu van ống

52

Hình 3-15: Sơ đồ đặt bánh xe dẫn hướng

54

Hình 3-16: Sơ đồ lực ngang tác dụng lên bánh xe khi xe quay vòng

55

Hình 4 - 1: Mô hình tính toán động lực học cho ô tô

67

Hình 4 - 2: Mô hình hệ thống lái

69

47


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Danh mục bảng biểu và hình vẽ

Hình 4 - 3: Mô hình phẳng một vệt của ô tô

71

Hình 4 - 5: Đồ thị đặc tính tốc độ vận tốc góc quay thân xe

77

Hình 4 - 6: Đồ thị đặc tính tốc độ của góc lệch bên

79

Hình 4 - 7: Đồ thị đặc tính tốc độ của gia tốc bên

80

ε̇

81

α

82

Hình 4 - 3: Đường Đặc tính tốc độ của � � [(m/s2)/rad]

ÿ

82

Hình 4 - 11: Thời gian quá độ và thời gian lên

88

Hình 4 - 12: Độ quá điều chỉnh

89

Hình 4 - 13: Đặc tính quá độ của vận tốc góc quay thân xe

90

Hình 4 -14: Đặc tính quá độ của góc lệch hướng chuyển động

91

Hình 4 - 15: Đặc tính quá độ của gia tốc bên

92

Hình 4 - 1: Đường Đặc tính tốc độ của � � (1/s)/rad
βv t

Hình 4 - 2: Đường Đặc tính tốc độ của � � rad/rad
βv t
βv t


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô là một phương tiện giao thông đang dần dần phổ biến ở nước ta. Nó
giữ vai trò quan trọng trong mạng lưới giao thông đường bộ. Từ khi ra đời
cho đến nay, ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển
cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật.
Với sự tăng trưởng tốc độ và mật độ chuyển động của ô tô ngày nay đòi
hỏi ô tô phải đảm bảo tính điều khiển ở mức độ cao. Nhằm đảm bảo tính an
toàn khi chuyển động của xe, hạn chế tối đa tai nạn giao thông xảy ra.
Hệ thống lái là một trong những hệ thống hết sức quan trong trên ô tô. Nó
quyết định tới tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô. Để giảm sự
mệt mỏi cho người lái, hệ thống trợ lực lái ra đời và phát triển không ngừng,
và cho đến nay, hệ thống trợ lực lái là một trong những hệ thống đương nhiên
phải có trên các phương tiện giao thông hiện đại.
Đề tài “Tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống thủy lực trợ lực tay
lái cho phương tiện giao thông” Với mục đích xem xét, tính toán và đánh giá
hệ thống thủy lực trợ lực cùng với đánh giá động lực học ô tô khi quay vòng.
Từ đó đưa ra những lời khuyên để đảm bảo quỹ đạo chuyển động và ổn định
cho xe khi chuyển hướng.
Nội dung đề tài :
Chương I: Tổng quan về hệ thống lái
Trình bày về nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động
chung của một hệ thống lái. Đưa ra một số bộ phận chính và các thông số cơ
bản của hệ thống lái.
Chương II: Một số hệ thống lái thông dụng
Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động một số hệ thống lái cũng như từng
bộ phận của hệ thống lái đó. Hệ thống lái thuần túy cơ khí, hệ thống lái có trợ
lực và hệ thống lái trợ lực có điều khiển.

Chương III: Tính toán thiết kế trợ lực lái:


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Lời nói đầu

Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đưa ra lựa chọn một mô hình
thích hợp của hệ thống trợ lực tay lái, từ đó tính toán các phần tử thủy lực
trong hệ thống.
Chương IV: Đánh giá động lực học quay vòng ô tô
Xây dựng phương trình động lực học khi xe quay vòng, xác định các hàm
truyền cho các tham số chuyển vị của xe. Kết hợp với việc lập trình trên phần
mềm Matlab để đánh giá động lực học quay vòng tĩnh và động của ô tô.
Sau quá trình thực hiện, với sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ
chỉ bảo tận tình của thầy giáo T.S Lê Xuân Trường đồ án đã được hoàn thành.
Song do thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế nên đồ án không tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được ý kiến chỉ bảo của các thầy cô
giáo đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.S Lê Xuân Trường cùng toàn thể
thầy cô giáo trong Viện Cơ khí động lực đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn
thành luận văn này.
Hà nội, Tháng 2 năm 2015
Học viên thực hiện

Đỗ Đắc Hoàng


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI.
1.1. Nhiệm vụ yêu cầu và phân loại
1.1.1. Nhiệm vụ
Hệ thống lái dùng để giữ đúng hướng chuyển động hoặc thay đổi hướng chuyển
động của ô tô khi cần thiết. Có thể thay đổi hướng chuyển động bằng cách:
+ Thay đổi phương chuyển động của bánh xe dẫn hướng (hình1-1(a))
+ Thay đổi mô men xoắn ở bánh sau chủ động (hình1-1(b))
+ Kết hợp đồng thời cả hai phương pháp trên.
Phương pháp quay các bánh xe dẫn hướng để quay vòng xe cơ giới được sử
dụng phổ biến nhất hiện nay. Phương pháp thay đổi hướng momen ở các bánh xe
chủ động thường áp dụng cho các loại xe cơ giới bánh xích. Đối với xe bánh xích,
có thể kết hợp việc truyền momen khác nhau đến các bánh chủ động ở hai bên của
xe với việc hãm các bánh xe phía gần tâm quay vòng để quay vòng trên diện tích rất
nhỏ, thậm chí có thể quay vòng xe tại chỗ.
Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì hệ thống lái là hệ thống quan trọng
nhất.

Hình 1 - 1: Các phương pháp quay vòng xe cơ giới
1.1.2. Yêu cầu của hệ thống lái
Hệ thống lái phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt, trong thời gian ngắn, trên diện tích bé.
+ Đảm bảo động học quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng tránh trượt lê gây
mòn lốp.

Trang 1


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

+ Các bánh xe dẫn hướng khi ra khỏi đường vòng cần phải tự động quay về trạng

thái chuyển động thẳng, hoặc là để quay bánh xe về trạng thái chuyển động thẳng
thì cần đặt lực lên vành tay lái nhỏ hơn khi xe đi vào đường vòng.
+ Hệ thống lái phải có khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng
lên các vành tay lái
+ Hệ thống lái không được có độ dơ lớn. Với xe có tốc độ lớn hơn 100Km/h độ dơ
vành tay lái cho phép không vượt quá 18 độ. Với xe có tốc độ lớn nhất nằm trong
khoảng (25 – 100)km/h độ dơ vành tay lái cho phép không vượt quá 27 độ.
+ Giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định
+ Đặt cơ cấu lái lên phần được treo của ô tô (để kết cấu của hệ thống treo không ảnh
hưởng đến cơ cấu lái), cấu tạo đơn giản điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi.
+ Với hệ thống lái có trợ lực: Khi hệ thống trợ lực có sự cố hư hỏng vẫn có thể điều
khiển được xe. Đảm bảo an toàn bị động của xe, không gây nên tổn thương cho
người sử dụng khi bị đâm chính diện.
1.1.3. Phân loại hệ thống lái
a) Phân loại theo cách bố trí cơ cấu lái
+ Loại cơ cấu lái đặt bên trái (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều
chuyển động là bên phải, đại đa số các nước có luật giao thông đi bên phải).
+ Loại cơ cấu lái đặt bên phải (dùng cho các nước có luật giao thông qui định chiều
chuyển động là bên trái).
b) Phân loại theo kết cấu của cơ cấu lái
+ Loại trục vít- bánh vít (với cung răng con lăn và trục vít).
+ Loại trục vít đòn lắc.
+ Loại liên hợp (trục vít - ê cu - cung răng).
+ Loại bánh răng - thanh răng
c) Theo số bánh dẫn hướng
+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước.
+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu sau.
+ Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu.

Trang 2

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

d) Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực lái.
+ Loại trợ lực lái thủy lực.
+ Loại trợ lực lái loại khí (khí nén hoặc chân không).
+ Loại trợ lực lái cơ khí.
+ Loại trợ lực lái dùng điện.
Ngoài ra hệ thống lái còn được phân ra: Hệ thống lái có trợ lực và hệ thống lái
không trợ lực. Trong hệ thống lái có trợ lực lại được phân ra hệ thống lái trợ lực
không có điều khiển và hệ thống lái trợ lực có điều khiển điện tử.
1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống lái
1.2.1. Cấu tạo

Hình 1 - 2: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái
1.Vành tay lái (vô lăng)
2.Trục lái
3.Ống bọc trục lái
4.Cơ cấu lái
5.Tay biên

6.Trụ đứng(chốt chuyển hướng)
7.Đòn quay (cam quay)
8.Thanh bên của hình thang lái
9.Khớp cầu nối
10.Đòn ngang (thanh ngang)
11.Đòn kéo dọc

Trang 3

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Vành tay lái có dạng hình tròn, lực của người lái tác dụng lên vành tay lái tạo
ra mô men quay để hệ thống lái làm việc. Trục lái thường là một đòn dài (có thể
rỗng hoặc đặc) để truyền mô men quay từ vành tay lái tới cơ cấu lái. Cơ cấu lái có
nhiệm vụ biến chuyển động quay tròn của vành tay lái thành chuyển động lắc của
tay biên trong mặt phẳng thẳng đứng và đảm bảo tỉ số truyền theo yêu cầu cần thiết.
Cơ cấu lái được bắt chặt lên xà dọc (phần được treo của ô tô). Dẫn động lái có
nhiệm vụ truyền chuyển động từ cơ cấu lái xuống bánh xe dẫn hướng đảm bảo tỷ số
truyền nhất định và chủ yếu giữ được động học quay vòng đúng của ô tô.
Khi người lái quay vô lăng (1) để điều khiển xe, qua cơ cấu lái (4) làm cho tay
biên (5) quay một góc thông qua đòn kéo dọc (11) và đòn quay cam (7) làm bánh xe
dẫn hướng bên trái dịch chuyển qua các đòn (8, 10) của hình thang lái làm cho bánh
xe dẫn hướng bên kia cũng dịch chuyển quanh trụ đứng, lệch phương chuyển động
theo ý muốn của người lái.
1.3. Các bộ phận chính của hệ thống lái
1.3.1. Trục lái

Hình 1 - 3: Cấu tạo chung của trục lái
Trục lái bao gồm trục lái chính truyền chuyển động quay của vô lăng tới cơ cấu
lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái chính vào thân xe. Đầu phía trên của trục lái
chính được làm thon và xẻ hình răng cưa. Vô lăng được xiết vào trục lái bằng một
đai ốc. Trong trục lái có một cơ cấu hấp thụ va đập. Cơ cấu này sẽ hấp thụ lực đẩy

Trang 4

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

tác dụng lên người lái khi xe bị tai nạn. Trục lái được gá với thân xe qua một giá đỡ
kiểu dễ vỡ do vậy khi xe bị đâm trục lái có thể dễ dàng bị phá sập. Đầu dưới của
trục lái chính nối với cơ cấu lái bằng khớp mềm hoặc khớp các đăng để giảm thiểu
việc truyền chấn động từ mặt đường qua cơ cấu lái lên vô lăng. Cùng với cơ cấu hấp
thụ va đập, trục lái chính trên một số xe còn có thể có một số kết cấu dùng để khống
chế và điều chỉnh hệ thống lái: ví dụ cơ cấu khóa tay lái nghiêng, cơ cấu trượt tay
lái.
1.3.2. Cơ cấu lái
1.3.2.1. Chức năng
Cơ cấu lái hay còn gọi là hộp số lái có chức năng :
- Biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động ngang của dẫn động lái.
- Tăng lực tác động của người lái lên vành tay lái để thực hiện quay vòng xe nhẹ
nhàng hơn.
Cơ cấu lái hoạt động tương tự như một hộp số với hai bộ phận cơ bản được gọi
quy ước là trục quay của cơ cấu lái và trục lắc của cơ cấu lái. Trục quay là đầu vào
của cơ cấu lái, nó trực tiếp liên kết với đầu dưới của trục lái và thực hiện chuyển
động quay theo chuyển động của trục lái. Trục lắc là đầu ra của hộp số lái nó liên
kết với đòn lắc chuyển hướng của dẫn động lái.
1.3.2.2. Một số cơ cấu lái thường dùng
Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cặp truyền động trục
quay – trục lắc có thể phân biệt các kiểu cơ cấu lái sau:
Cơ cấu lái trục vít - cung răng:
1-Trục vít
2-Cung răng
3- Trục lắc

Hình 1 - 4: Hộp số lái kiểu trục vít - cung răng

Trang 5


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Loại cơ cấu lái trục vít cung răng có ưu điểm là: Giảm trọng lượng và kích thước so
với trục vít - bánh răng.
Cơ cấu lái kiểu trục vít – con lăn:
Trục quay (liên kết với trục lái) của hộp số lái kiểu trục vít - con lăn có cấu tạo
giống một trục vít vô tận. Trên trục lắc của hộp số lái có một bộ phận gọi là con lăn.
Con lăn giống một bánh xe có ren phía ngoài. Các ren của con lăn ăn khớp với các
ren của trục vít. Khi trục vít quay, con lăn sẽ quay quanh trục của nó đồng thời
chuyển động dịch chuyển dọc theo trục của trục vít. Kết quả của các chuyển động
đó là chuyển động xoay của trục lắc.

1-Trục vít,
2- Con lăn,
3- Đòn chuyển hướng của dẫn động lái

Hình 1 - 5:
Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn
Hộp số lái kiểu trục vít - con lăn được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Ưu điểm của
hộp số lái kiểu này là có kết cấu gọn, trục vít và con lăn có độ bền cao do ma sát
giữa chúng là ma sát lăn và ứng suất nhỏ nhờ có nhiều ren của con lăn và trục vít
tiếp xúc với nhau, hiệu suất cao, dễ điều chỉnh khe hở giữa các bộ phận liên kết
trong hộp số lái.
Cơ cấu lái kiểu trục vít – đòn lắc:
Hộp số lái kiểu trục vít - đòn lắc có trục quay của nó hoạt động tương tự như

Trang 6

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

một trục vít nhưng có mặt cắt ngang giống một trục cam do các rãnh có độ sâu thay
đổi theo chu vi, bởi vậy hộp số lái kiểu này còn gọi là kiểu cam đòn lắc.

1- Trục vít
2- Đòn lắc
3- Chốt
4- Trục lắc
5- Đòn lắc chuyển hướng
Hình 1 - 6:
Hộp số lái kiểu trục vít – đòn lắc

Cơ cấu lái kiểu trục vít - đòn quay cho phép dễ dàng thay đổi tỷ số truyền theo
yêu cầu, nhưng có hiệu suất thấp và các chốt của kiểu hộp số lái này thường mòn
nhanh. Kiểu hộp số lái này ngày càng ít được sử dụng trên các loại ôtô đời mới.
Cơ cấu lái kiểu trục vít - ê cu – bi - cung răng:
1- Trục vít
2- Ecu
3- Cung răng
4- Trục lắc
5- Bi
6- Đòn lắc chuyển hướng
Hình 1 - 7:
Hộp số lái kiểu trục vít - êcu - bi - cung răng

Trang 7

Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Hộp số lái kiểu trục vít - ecu - bi - cung răng có trục quay là một trục vít, còn
trục lắc tương tự như trục lắc của hộp số lái kiểu trục vít- cung răng, nhưng cung
răng không ăn khớp với trục vít mà nhận chuyển động từ trục vít thông qua ecu và
các viên bi. Ecu có các răng thẳng phía ngoài và các rãnh phía trong tương ứng với
các rãnh trên trục vít. Các viên bi nằm trong rãnh giữa ecu và trục vít và trong ống
dẫn bao quanh ecu. Khi trục vít quay các viên bi trong rãnh giữa trục vít và ecu sẽ
đẩy nhau và luân chuyển trong ống dẫn để quay trở lại rãnh, đồng thời làm cho ecu
dịch chuyển dọc theo trục vít. Thông qua các răng của ecu và cung răng, chuyển
động tĩnh tiến của ecu được biến đổi thành chuyển động xoay của trục lắc.
Như trên hình vẽ đã thể hiện, chiếc êcu ăn khớp với trục vít nhờ các viên bi
tròn. Các bi này có hai tác dụng: một là nó giảm ma sát giữa các chi tiết nên hiệu
suất cao. Thứ hai, nó làm giảm độ dơ của cơ cấu. Độ dơ xuất hiện khi đổi chiều tay
lái, nếu không có các viên bi, các răng sẽ rời nhau ra trong chốc lát gây nên độ dơ
của tay lái.
Kiểu bánh răng - thanh răng:

Hình 1 - 8: Hộp số lái bánh răng - thanh răng
Hộp số lái kiểu bánh răng - thanh răng có trục quay (đầu vào) được chế tạo
giống một bánh răng trên đoạn trục liên kết trục lắc (đầu ra). Trục lắc là một thanh
răng thẳng. Hai đầu của thanh răng liên kết với hai thanh nối bên của dẫn động lái
thông qua các khớp cầu. Các răng trên bánh răng và thanh răng liên kết với nhau.

Trang 8


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Khi bánh răng quay, thanh răng sẽ chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng ngang sang
trái hoặc phải tuỳ theo chiều quay của vành tay lái. Trong dẫn động lái với hộp số
lái kiểu bánh răng - thanh răng không có đòn lắc chuyển hướng mà thanh răng trực
tiếp truyền chuyển động ngang cho các thanh nối.
1.3.3. Dẫn động lái
Dẫn động lái gồm hệ thống các đòn, các thanh liên kết với nhau để truyền lực
từ cơ cấu lái đến các bánh xe điều khiển, đồng thời đảm bảo cho các bánh xe của ô
tô quay vòng với động học đúng. Bộ phận quan trọng của dẫn động lái là hình thang
lái, có nhiệm vụ đảm bảo động học các bánh xe dẫn hướng của ô tô làm cho lốp xe
không bị trượt, lê khi lái, giảm mòn lốp. Kết cấu của hình thang lái phải phù hợp
với bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo để khi bánh xe dao động thẳng đứng thì
không ảnh hưởng đến động học của dẫn động lái.
Cấu tạo hình thang lái điển hình (Hình 1-9)
+ Đòn lắc chuyển hướng là chi tiết liên kết với trục lắc của hộp số lái và truyền
chuyển động của trục lắc đến phần còn lại của dẫn động lái. Thông thường một đầu
của đòn lắc chuyển hướng liên kết với trục lắc của hộp số lái bằng then hoa, đầu còn
lại liên kết với một đầu của thanh nối giữa bằng khớp cầu.

Hình 1 - 9: Cấu tạo hình thang lái điển hình
1,4 -Đòn lắc chuyển hướng, 2-Thanh nối giữa, 3-Thanh nối bên,
5- Đòn lắc phụ, 6- Khớp cầu, 7- Vú mỡ, 8- Vòng đệm
+ Đòn lắc phụ cũng có một đầu liên kết với một đầu của thanh nối giữa bằng khớp
nối cầu, đầu còn lại được lắp trên khung ôtô thông qua trục. Đòn lắc phụ cũng thực

Trang 9


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

hiện chuyển động lắc hoàn toàn giống chuyển động của đòn lắc chuyển hướng

nhưng không truyền chuyển động đó cho bất cứ bộ phận nào. Nó có chức năng đỡ
thanh nối giữa ở độ cao như tại đòn lắc chuyển hướng để đảm bảo động học của hệ
thống lái.
+ Thanh nối giữa có chức năng liên kết tất cả các bộ phận khác của dẫn động lái với
nhau. Hai đầu của thanh nối giữa là hai ổ đỡ chốt cầu để liên kết với đòn lắc chuyển
hướng và đòn lắc phụ. Phía giữa thanh nối giữa có hai lỗ để liên kết với hai thanh
nối bên bằng các khớp cầu.
+ Thanh nối bên là bộ phận trực tiếp truyền chuyển động cho đòn chuyển hướng
trên ngỗng quay của bánh xe dẫn hướng. Thông thường mỗi cơ cấu dẫn động lái có
hai thanh nối bên, mỗi thanh nối bên được cấu thành từ ba đoạn được gọi là đầu
trong, đầu ngoài, và đoạn điều chỉnh. Đầu ngoài liên kết với đòn chuyển hướng.
Đầu trong liên kết với thanh nối giữa, thanh răng hoặc một bộ phận khác của ôtô tuỳ
thuộc vào kiểu dẫn động lái. Đoạn điều chỉnh dùng để thay đổi chiều dài toàn bộ
của thanh nối bên để điều chỉnh hình học lái trong quá trình kiểm tra, bảo trì gầm
ôtô mà không cần phải tháo rời dẫn động lái.
b)

a)

Hình 1 - 10: Kết cấu của thanh nối bên
1 - Đầu ngoài của thanh nối bên,

4 - Ống điều chỉnh,

2 - Kẹp đàn hồi,

5 - Bulông điều chỉnh

3 - Đầu trong của thanh nối bên,

6 - a) Kiểu ống, b) Kiểu bulông

Với hình (H1-10a), ống điều chỉnh có ren, các đầu của đầu trong và đầu ngoài
của thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một đầu ren trái, còn đầu kia có ren phải.

Trang 10


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Khi cả hai đầu đã được vặn vào ống điều chỉnh, nếu xoay ống điều chỉnh sẽ làm cho
chiều dài toàn bộ của thanh nối bên tăng lên hoặc giảm đi tuỳ theo chiều xoay của
ốc điều chỉnh. Các kẹp đàn hồi có tác dụng ngăn không cho ống điều chỉnh tự xoay
trong quá trình ôtô vận hành.
Với hình (H1-10b) bulông điều chỉnh có ren, các đầu trong và đấu ngoài của
thanh nối bên cũng có ren, trong đó có một ren trái và một đầu có ren phải. Xoay
bulông điều chỉnh sẽ làm thay đổi chiều dài toàn bộ thanh nối bên.
1.4. Các thông số cơ bản của hệ thống lái
1.4.1. Tỉ số truyền của hệ thống lái
Trong hệ thống lái có các tỉ số truyền sau:
+ Tỉ số truyền của cơ cấu lái i ω
+ Tỉ số truyền của dẫn động lái i d .
+ Tỉ số truyền theo góc của hệ thống lái ig.
+ Tỉ số truyền lực của hệ thống lái i l .
Tỉ số truyền của cơ cấu lái i ω .
Tỉ số của góc quay của vô lăng chia cho góc quay của đòn lắc chuyển hướng.
Tùy theo cơ cấu lái i ω có thể không đổi hoặc thay đổi. Ở loại cơ cấu lái có tỉ số
truyền thay đổi, tỉ số truyền có thể tăng hay giảm khi quay vành tay lái ra khỏi vị trí
trung gian.
Loại cơ cấu lái có tỉ số truyền thay đổi theo xu hướng giảm khi quay vành tay

lái ra khỏi vị trí trung gian được sử dụng phổ biến. Tỉ số truyền này có giá trị cực
đại khi vành tay lái ở vị trí trung gian. Như vậy đảm bảo được ô tô chuyển động
thẳng ở vận tốc cao an toàn hơn, tránh quay vòng ngẫu nhiên. Vì khi vành tay lái
quay đi một góc bé sẽ làm cho bánh dẫn hướng quay ít. Đồng thời cũng làm giảm
ảnh hưởng của những va đập từ bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái. Khi quay vành
tay lái ra xa vị trí trung gian thì tỉ số truyền giảm nhanh, lúc này quay vành tay lái
một góc nhỏ cũng có thể làm cho bánh xe dẫn hướng quay một góc tương đối lớn
do đó xe có thể quay vòng linh hoạt.

Trang 11


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Đối với hệ thống lái trang bị trợ lực lái thì tỉ số truyền không là vấn đề quan
trọng. Vì thao tác cơ cấu lái ở đây chủ yếu dùng để đóng mở các van của bộ trợ lực
lái khiến nó làm việc. Để đề phòng hỏng bộ trợ lực lái thì tỉ số truyền vẫn phải chọn
đủ lớn để người lái vẫn đủ sức lái xe.
Tỉ số truyền của dẫn động lái i d .
Nó phụ thuộc vào kích thước và quan hệ của các cánh tay đòn. Trong quá trình
bánh dẫn hướng quay vòng giá trị cánh tay đòn của các đòn dẫn động sẽ thay đổi.
Trong các kết cấu hiện nay i d thay đổi không nhiều lắm.
i d = 0,85 ÷ 1,1
Tỉ số truyền theo góc của hệ thống lái i g .
Tỷ số của góc quay vành tay lái lên góc quay của bánh dẫn hướng. Tỉ số truyền
này bằng tích số của tỉ số truyền của cơ cấu lái i ω với tỉ số truyền của dẫn động lái.
ig = iω. id
Tỉ số truyền lực của hệ thống lái i l .

Hình 1 - 11: Sơ đồ trụ đứng nghiêng trong mặt phẳng ngang

Tỷ số của tổng lực cản khi ô tô quay vòng chia cho lực đặt trên vành tay lái
cần thiết để khắc phục được lực cản quay vòng.

Ở đó:

𝑃𝑃𝑐𝑐 =

𝑖𝑖𝑙𝑙 =

𝑀𝑀𝑐𝑐
;
𝑐𝑐

𝑃𝑃𝑐𝑐
𝑃𝑃𝑙𝑙

𝑃𝑃𝑙𝑙 =

M c : mômen cản quay vòng của bánh xe

Trang 12

𝑀𝑀𝑙𝑙
𝑟𝑟


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

c: cánh tay đòn quay vòng, tức là khoảng cách từ tâm mặt tựa của lốp đến đường
trục đứng kéo dài.

M l : mômen lái đặt trên vành tay lái.
r: bán kính vành tay lái.
Như vậy:

Bỏ qua các lực ma sát ta có:

𝑀𝑀𝑐𝑐
𝑀𝑀𝑙𝑙

𝑖𝑖𝑙𝑙 =

𝑀𝑀𝑐𝑐 𝑟𝑟
𝑀𝑀𝑙𝑙 𝑐𝑐

= 𝑖𝑖𝑔𝑔 và do đó
𝑟𝑟
𝑖𝑖𝑙𝑙 = 𝑖𝑖𝑔𝑔
𝑐𝑐

Bán kính vành tay lái ở đa số ô tô hiện nay là 200 ÷ 250mm và tỉ số truyền
góc i g không vượt quá 25 vì vậy i l không được chọn lớn quá. Cánh tay đòn c cũng
không nên giảm nhiều vì giảm nhiều sẽ làm cho ô tô chuyển động không ổn định vì
bánh xe nghiêng trong mặt phẳng ngang nhiều quá, i l hiện nay chọn trong khoảng
từ 100 ÷ 300.
Nếu tỉ số truyền i l đòi hỏi phải lớn hơn thì cần thiết phải đặt bộ trợ lực tay lái
trong hệ thống lái.
1.4.2. Điều kiện không trượt khi quay vòng
Quá trình quay vòng của xe được chia thành ba giai đoạn:

Hình 1 - 12: Các giai đoạn của quá trình quay vòng

Trang 13


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

+ Giai đoạn I –Xe bắt đầu đi vào đường vòng (đoạn 1-2 trên hình 1-12) đặc trưng
bằng bán kính quay vòng giảm dần (R # const ).
+ Giai đoạn II – Là giai đoạn xe quay vòng đều (đoạn 2-3 trên hình 1-12) đặc trưng
bằng bán kính quay vòng không đổi (R = const).
+ Giai đoạn III –Xe đi qua khỏi đường vòng (đoạn 3-4 trên hình 1-12) đặc trưng
bằng bán kính quay vòng tăng dần (R # const) và ở cuối giai đoạn này thi xe trở lại
trạng thái chuyển động thẳng (R =∞)
Trong trường hợp này ta chỉ khảo sát động học và động lực học quay vòng đều
của xe với bán kính quay vòng R = const và vận tốc quay vòng ω = const.
Đối với chuyển động của các vật rắn, để các bánh xe ôtô không bị trượt khi
quay vòng thì các đường thẳng đi qua trục các bánh xe phải cắt nhau tại một điểm là
tâm quay vòng tức thời của xe (điểm O trên hình 1-12, 1-14)

Hình 1 - 13: Sơ đồ mô phỏng bán kính quay vòng

Hình 1 - 14: Sơ đồ động học của xe ôtô

Trang 14


Chương I: Tổng quan về hệ thống lái

Đối với xe hai cầu, trong đó cầu trước là dẫn hướng để tất cả các bánh xe không
trượt khi quay vòng thì tâm quay vòng O của xe phải nằm trên đường tâm của cầu

sau. Đối với xe ba cầu, trong đó chỉ có một cầu trước là dẫn hướng thì các bánh xe
ở cầu giữa sẽ bị trượt khi quay vòng do các vecto vận tốc của các bánh xe này
không nằm trong mặt phẳng lăn của chúng. Muốn cho tất cả các bánh của xe ba cầu
không trượt khi quay vòng thì xe phải có ít nhất hai cầu dẫn hướng. Trong trường
hợp tổng quát nếu xe có n cầu thì điều kiện cần để tất cả các bánh xe không trượt
khi quay vòng là số lượng cầu chủ động phải bằng n-1.
Trong đó α 1 , α 2 – Góc quay của các bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía
trong.
B- Khoảng cách giữa hai đường tâm trục
L- Chiều dài cơ sở của xe
R- Bán kính quay vòng
1.4.3. Góc đặt bánh xe

Hình 1 - 15: Các yếu tố góc đặt bánh xe
Góc đặt bánh xe gồm 5 yếu tố sau đây:
-

Góc camber

-

Góc Caster

-

Góc nghiêng của trụ xoay đứng (Góc Kingpin)

-

Độ chụm của các bánh xe (góc chụm)

Trang 15